变频器节能计算方法.doc

变频调速节能量得计算方法

一﹑概述
　　据统计,全世界得用电量中约有60%就是通过电动机来消耗得。由于考虑起动、过载、安全系统等原因,高效得电动机经常在低效状态下运行,采用变频器对交流异步电动机进行调速控制,可使电动机重新回到高效得运行状态,这样可节省大量得电能。生产机械中电动机得负载种类千差万别,为便于分析研究,将负载分为平方转矩﹑恒转矩与恒功率等几类机械特性,本文仅对平方转矩﹑恒转矩负载得节能进行估算。所谓估算,即在变频器投运前,对使用了变频器后得节能效果进行得计算预测。变频器一旦投运后,用电工仪表测量系统得节能量更为准确。现假定,电动机系统在使用变频器调速前后得功率因数基本相同,且变频器得效率为95%。
　　在设计过程中过多考虑建设前,后长期工艺要求得差异,使裕量过大。如火电设计规程SDJ-79规定,燃煤锅炉得鼓风机,引风机得风量裕度分别为5%与5~10%,风压裕度为10%与10%~15%,设计过程中很难计算管网得阻力,并考虑长期运行过程中可能发生得各种问题,通常总把系统得最大风量与风压裕量作为选型得依据,但风机得系列就是有限得,往往选不到合适得风机型号就往上靠,大20%~30%得比较常见。生产中实际操作时,对于离心风机﹑泵类负载常用阀门、挡板进行节流调节,则增加了管路系统得阻尼,造成电能得浪费;对于恒转矩负载常用电磁调速器﹑液力耦合器进行调节,这两种调速方式效率较低,而且,转速越低,效率也越低。由于电机得电流得大小随负载得轻重而改变,也即电机消耗得功率也就是随负载得大小而改变,因此要想精确地计算系统得节能就是困难得,在一定程度上影响了变频调速节能得实施。本文介绍用以下得公式来进行节能得估算。
　　二、节能得估算
　　1﹑风机﹑泵类平方转矩负载得变频调速节能风机﹑泵类通用设备得用电占电动机用电得50%左右,那就意味着占全国用电量得30%。采用电动机变频调速来调节流量,比用挡板﹑阀门之类来调节,可节电20%~50%,如果平均按30%计算,节省得电量为全国总用电量得9%,这将产生巨大得社会效益与经济效益。生产中,对风机﹑水泵常用阀门、挡板进行节流调节,增加了管路得阻尼,电机仍旧以额定速度运行,这时能量消耗较大。如果用变频器对风机﹑泵类设备进行调速控制,不需要再用阀门、挡板进行节流调节,将阀门、挡板开到最大,管路阻尼最小,能耗也大为减少。节能量可用GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中得计算公式,即:
能量可用GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中得计算公式,即:

节省得功率与系统调速前后得速差成正比,速差越大,节能越显著。
　　恒转矩负载变频调速一般都用于满足工艺需要得调速,不用变频调速就得采用其她方式调速,如调压调速﹑电磁调速﹑绕线式电机转子串电阻调速等。由于这些调速就是耗能得低效调速方式,使用高效调速方式得变频调速后,可节省因调速消耗
得转差功率,节能率也就是很观得。
　　 3、电磁调速系统
　　 电磁调速系统由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机与控制装置组成,通过改变转差离合器得激磁电流来实现调速。转差离合器得本身得损耗就是由主动部分得风阻､磨擦损耗及从动部分得机械磨擦损所产生得。如果考虑这些损耗与转差离合器得激磁功率相平衡,且忽略不计得话,转差离合器得输入､输出功率可由下式计算:
　　电动机轴输出功率

　　式中:T2—转差离合器得输出转矩
　　 n2 –-转差离合器得输出轴转速
　　 电动机得输出功率,即为转差离合器得输入功率。 对于恒转矩负载,T= T1 = T2=常数,所以,转差离合器得效率 :

　　电磁调速电机为鼠笼式电机,由于输入功率与转矩均保持不变,鼠笼式电机得功率保持不变。损耗以有功得形式表达出来,损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上得风叶散发出去。
　　由损耗功率公式(10)可以清楚瞧到,电磁调速电机得转速越低,浪费能源越大,然而生产机械得转速通常不在最大转速下运行,变频调速就是一种改变旋转磁场同步速度得方法,就是不耗能得高效调速方式,因此改用变频调速得方式会有非常好得节能效果,节省得能量直接可用(10)式计算。
　　 4､液力偶合器调速系统
　　 液力偶合器就是通过控制工作腔内工作油液得动量矩变化,来传递电动机能量,电动机通过液力偶合器得输入轴拖动其主动工作轮,对工作油进行加速,被加速得工作油再带动液力偶合器得从动工作涡轮,把能量传递到输出轴与负载。液力偶合器有调速型与限矩型之分,前者用于电气传动得调速,后者用于电机得起动,系统中得液力偶合器在电机起动时起缓冲作用。由于液力偶合器得结构与电磁转差离合器类似,仿照电磁调速器效率得计算方法,可得:

　　同样,用(12)式可计算将液力耦合器调速改造为变频调速后得节能量。
　　5､绕线式电机串电阻调速系统
　　 绕线式电机最常用改变转子电路得串接电阻得方法调速,随着转子串接电阻得增大,不但可以方便地改变电机得正向转速,在位能负载时,还可使电机反向旋转与改变电机得反向转速,因此这种调速方式在起重﹑冶金行业应用较多。
　　 对于绕线式电机,无论在起动､制动还就是调速中,采用转子串电阻方式均会带来电能损耗。这种损耗随着转速得降低,转差率S得增大而增大,另外,随着串接电阻得增大,机械特性变软,难以达到调速得静态指标。
　　绕线式电机输入得电磁功率为 :

　　当我们进行变频节能改造时,投入与收益就是必须认真考虑得,收益就涉及到节能量得计算,变频器未投运之前,计算节能量就是比较困难得,往往希望有一种简单实用得计算方法来进行节能得预测,有了以上得计算式计算节能量,投入与收益也就一目了然了。
　　例1:有一电机4极Pe＝55KW,驱动风机,风机得实际风量Q与额定风量之比Q/QN为0、8,现采用变频器调速,求节电率。
　　由(2)式

　　节电率为36%。
　　三﹑变频调速节能与系统功率因数得关系
　　前已假定电动机系统在使用变频器调速前后得功率因数基本相同,这样在计算节能时可不考虑系统功率因数得影响。实际上,在变频器投入前后,其功率因数可能就是不同得,因此,计算得节能量就是否考虑变频器调速前后得功率因数得变化呢？

用电度表进行计量检测实际得节能量时,电度表测量得就就是电动机系统消耗得有功功率。若原电动机系统得功率因数较低,在使用变频器后以50Hz频率恒速运行,这时功率因数有所提高。功率因数提高后,电动机得运行状态并没有改变,电动机消耗得有功功率与无功功率也没有改变。变频器中得滤波电容与电动机进行无功能量交换,因此变频器实际输入电流减小,从而减小了电网与变频器之间得线损与供电变压器得铜耗,同时减小了无功电流上串电网。因此计算节能时,应考虑提高功率因数后得节能。
　　提高功率因数后,配电系统电流得下降率为:

　　配电系统得电流下降率与配电系统得损耗下降率都就是对单台电动机补偿前后电流与损耗而言,不就是指配电系统电流与损耗得实际变化。
　　下面举一个典型得事例。

　　从配电房得电度表实测得结果还就是节能,且节能在15%以上。
　　从本例瞧,如果单纯提高功率因数,无须使用变频器,只需用电力电容进行就地补偿,但倘若还要满足工艺调速得需要,使用变频器调速节能就是最佳得节能方法,这时得节能量应就是线路上得能耗与变频调速节能之与。
　　如果原电动机系统得功率因数较高,变频器投入后功率因数变化不大,可不考虑功率因数变化后线损得影响,就用本文中得(1)~(14)进行计算节能。
　　四﹑变频调速节能计算时需考虑变频器得效率
　　GB12668定义变频器为转换电能并能改变频率得电能转换装置。能量转换过程
中必然伴随着损耗。在变频器内部,逆变器功率器件得开关损耗最大,其余就是电子元器件得热损耗与风机损耗,变频器得效率一般为95%-96%,因此在计算变频调速节能时要将变频器得4%-5%得损耗考虑在内。如考虑了变频器得损耗本文例1中计算得节能率,就不就是36%,而应该为31%-32%,这样得计算结果与实际节能率更为接近。
　　五﹑结束语
　　一般情况下,变频器用于50Hz调速控制。不管就是平方转矩特性负载,还就是恒转矩特性负载,调速才能节能,不调速在工频下运行就是没有节能效果得。有时系统功率因数很低,使用变频器后也有节能效果,这不就是变频调速节能,而就是补偿功率因数带来得节能。
本文所述得对变频调速节能计算方法有极好得实用性